采用ANSYS 軟件對國際熱核聚變實驗裝置(ITER) 環氧基復合材料軸向絕緣子在低溫、內氣壓、拉伸載荷作用下的熱應力進行有限元分析，并且對低溫沖擊、內氣壓沖擊和拉伸壓縮應力沖擊性能進行實驗測試。分析和實驗結果表明： 由于絕緣子的絕緣體與金屬導體的熱膨脹系數不同，由常溫降到液氦溫度時界面熱應力是影響絕緣子氣密性能的主要因素；在室溫到液氮冷熱循環25次后，承受4 MPa 氦氣內壓，2000 N 拉壓載荷下氣密性保持好于1.0 × 10^-9 Pa·m³ /s，能夠滿足ITER軸向絕緣子的技術要求。

　　耐低溫耐高電壓氦氣密復合材料軸向絕緣子是國際熱核聚變實驗裝置(ITER) 磁體系統的關鍵部件，在裝置運行中軸向絕緣子通過管路和對應的冷質部件構成冷卻回路，承擔整個磁體系統液氦和液氮的通道，同時擔負對地絕緣的作用。因此設計制作絕緣子的電絕緣材料性能要有足夠的機械強度和必要的塑性，在低溫下不會發生脆裂，耐低溫密封性好；冷熱收縮系數盡量小，在接頭處不應產生太大的熱應力，在多次冷熱循環后，仍能保持所需的機械強度和真空密封性能，抗冷熱沖擊性好，抗振動性好；固化收縮率小，固化后不會產生大應力，引起界面的分離或開裂。

　　采用ANSYS 軟件對ITER 環氧基復合材料軸向絕緣子在低溫、內氣壓、拉伸等單一或綜合載荷作用下進行熱應力有限元仿真分析，并對低溫沖擊、內氣壓沖擊和拉伸壓縮應力沖擊等單一或綜合載荷作用下的性能進行人工加速老化實驗測試。仿真分析和實驗結果表明：由于絕緣子的絕緣體與金屬導體的徑向和環向熱收縮系數不同，由常溫降到液氦溫度時界面熱應力是影響絕緣子氣密性能的主要因素；在室溫到液氮冷熱循環25 次后，承受4 MPa 氦氣內壓，2000 N 拉壓載荷下氣密性保持在好于1.0 ×10 ^-9 Pa. m³ /s，能夠滿足ITER 軸向絕緣子的技術要求。

1、ITER 軸向絕緣子結構工藝設計

　　ITER 復合材料軸向絕緣子結構由不銹鋼金屬電極、復合材料絕緣內襯管和外部絕緣加強層三部分構成。根據56 kV 的電性能要求， ITER 軸向絕緣子優化截面尺寸如圖1 所示。

圖1 ITER 軸向絕緣子截面尺寸示意圖

　　由于絕緣子不銹鋼金屬電極與復合材料內襯管的連接接頭是機械載荷最集中的區域，也是兩種材料的徑向和環向熱收縮系數不同，在冷熱循環沖擊過程中熱應力集中的區域，在設計絕緣子絕緣結構的工藝過程中應綜合設計各關鍵位置，特別是要重點設計絕緣內襯管和金屬不銹鋼管接頭，這是影響低溫氦氣密性能的關鍵技術。具體工藝技術包括不銹鋼電極表面處理、接頭螺紋密封接頭粘接工藝以及固化成型工藝等。通過采用優化玻璃纖維增強內襯管外表面和不銹鋼電極內表面的螺紋尺寸，以及夾層低溫環氧樹脂膠粘劑的熱收縮系數和厚度，進而設計界面連接處的徑向和環向熱收縮系數，使之與連接的不銹鋼金屬管和內襯管的熱收縮系數接近并滿足一定的配合關系，避免材料結構件在冷熱循環沖擊過程中因熱應力集中發生脆裂而影響電絕緣性能和機械氦氣密性能。

2、絕緣子低溫應力載荷下氣密性實驗

　　室溫和低溫拉壓性能測試原理如圖6 所示，絕緣子一端固定，另一端直接施加拉壓載荷，內部通氦氣，在外部真空腔中采用真空檢漏的方法檢測絕緣子在拉壓載荷作用對氣密性能的影響。絕緣子安裝在波紋管真空室內，并在兩端焊接密封連接，一端通過螺母與測試支架底部法蘭連接，另一端通過法蘭板螺釘與電子試驗機拉伸桿相連，通過驅動試驗機中橫梁的上下移動實現對絕緣子拉伸和壓縮的負荷加載。采用真空機組和氦質譜檢漏儀對波紋管真空室抽真空和檢漏，根據受力變化速度，計劃在10 min 內實現載荷的施加，計算機控制拉伸端力載荷施加速度。

圖6 ITER 絕緣子氣密性測試實驗裝置

　　測試方法是在機械載荷作用過程中利用波紋管進行氣密性測試，可以實時測試載荷對絕緣子性能的影響，但利用波紋管會增加附加影響，影響測量結果需要修正。

　　試驗機調零是關鍵，在實驗測試時，對波紋管抽真空檢漏后安裝在支架上，使其拉伸桿自由不受力時調零，在受拉時，向上移動，在施加力從零線性增大時再調零，同理在受壓時，向下移動，在施加力從零線性增大時再調零，消除裝置的回程誤差。實驗結果表明： 在氦氣漏率為3.2 × 10^-10Pa·m³/s 的本底情況下，分別測量室溫耐拉力3200 N，調零等效后相當于2000 N 拉伸力，以及4 MPa 內氣壓沖擊循環25 次；液氮溫度耐壓力1400 N，調零等效后相當于2000 N 壓縮力，以及4 MPa 內氣壓沖擊循環25 次的漏率與循環次數的變化，受拉載荷和受壓載荷作用下氦氣漏率變化曲線如圖7 所示，最大拉力3200 N 和最大壓縮力1400 N 作用下基本上都是線性關系，其漏率都小于4 × 10^-10Pa·m³/s，因此滿足絕緣子在2000 N 拉壓載荷以及4 MPa 內氣壓疲勞沖擊作用下25 次后，其氦氣漏率好于1.0 ×10^-9Pa·m³ /s，能夠滿足ITER 軸向絕緣子的技術要求。

圖7 綜合載荷作用下氣密性變化曲線

3、結論

　　ITER 復合材料軸向絕緣子的ANSYS 熱應力有限元仿真分析以及人工加速氣密性能實驗測試結果表明：

　　(1) 由于絕緣體與金屬導體的熱膨脹系數不同，最大熱應力位于金屬電極和絕緣材料頂端界面處，冷熱沖擊引起的熱應力是影響絕緣子氣密性能的主要因素；

　　(2) 與熱應力分析結果相比，最大應力和最大熱應力位置非常接近，說明在熱應力設計滿足的情況下，2000 N 拉伸載荷對機械強度的影響很小。

　　(3) 根據機械設計標準，設計的絕緣子在低溫4.2 K、內氣壓4 MPa、拉力2000 N 作用下絕緣子是非常安全的；

　　(4) 在室溫到液氮冷熱循環25 次后，承受4MPa 氦氣內壓，2000 N 拉壓載荷下氣密性保持在1.0 × 10^-9 Pa.m³/s 以上，能夠滿足ITER 軸向絕緣子的技術要求。